基于FBG的环向应变测量方法研究

中国电建市政建设集团有限公司 天津 300000

1 FBG环向位移传感器的设计研发

新型FBG环向位移传感器的研制图如图1所示，该新型传感器由裸FBG传感器、橡皮筋、FDM打印的保护套、PVC保护套管以及铠装跳线组成。FBG传感器用来测量环向位移，传感元件为光纤光栅，光栅间距为5mm，光纤总长为600mm。PVC保护管位于距两边光栅端部各1.2mm位置处，长度各为3000mm。橡皮筋长度为120mm，宽度为5mm，厚度为2mm。在FDM打印到50%时，放入FBG传感器和橡皮筋，打印完成后，FBG传感器仍具有信号，表明FDM技术成功封装FBG传感器。

图1 新型FBG环向位移传感器研制图

利用FDM技术打印PLA封装外壳如图2所示，将FBG传感器一边紧贴于应变传感带，另一边紧贴于FDM材料。打印进行到50%时暂停，加入FBG传感器及橡皮筋，打印密度为80%，传感器的波长为1543.001nm，最后利用热缩套管加固，整个打印过程共14min。利用FDM技术成功封装新型FBG环向应变传感器，如图3所示。

图2 FDM技术打印PLA封装外壳

图3 FBG环向位移传感器

2 FBG环向位移传感器的工作原理推导

当将FBG环向应变传感器放置在圆柱体上时，FBG环向应变传感器的受力示意图如图4所示。圆柱体径向截面上的内力为

图4 FBG环向应变传感器在圆柱体上的受力示意图

式中：σpe为圆柱体的环向应力；b为圆柱体高度；d为圆柱体内径；δpe为圆柱体壁厚；p为圆柱体内压力；εpe为圆柱体环向应变；Epe为圆柱体的弹性模量。

3 FBG环向位移传感器的标定与分析

传感器位移与波长的关系图如图5所示，标定试验测得的最大位移为60mm。拟合可得中心波长与位移的对应关系为y=0.0218x+1540，传感器的灵敏度为0.0218nm/mm，由于解调仪的精度为0.0025nm，则传感器分辨率均为114μm。……